Фокусное расстояние линз на лазерном станке. Настройка фокуса станка с ЧПУ

• Что такое фокусное расстояние лазерного станка 
• Фокусирующая линза для CO2-лазера: принцип работы 
• Факторы, влияющие на фокусное расстояние лазера 
• Виды фокусирующих линз 
• Оптимальный диаметр фокусного пятна 
• Определение положения фокуса 
• Как установить соответствующее расстояние фокусировки CO2-лазера? 
• Как правильно выбрать лазерную линзу? 

При использовании лазерного оборудования для резки и гравировки, необходима система линз для направления и фокусировки луча. Ключевым понятием в работе линз является их фокусное расстояние. Оно определяет, как энергия лазера фокусируется на поверхности. От правильного выбора линз и настройки их фокуса зависит ширина и качество реза, образование грата и скорость обработки.  В этой статье мы рассмотрим принцип работы линз, виды и способы определения их фокусного расстояния.

Что такое фокусное расстояние лазерного станка

В системах лазерной резки и гравировки линзы используются для фокусировки лазерного луча на обрабатываемом материале. Ключевым понятием, которое необходимо понимать в работе линз, является "фокусное расстояние". 

Этот термин описывает расстояние между линзой и обрабатываемым материалом. Данное расстояние определяет фокус лазерного луча, который концентрирует лазерную энергию. От фокусного расстояния зависит диаметр пятна и глубина фокуса, по этой причине при лазерной резке необходима правильная настройка. Для гравировки используются линзы с меньшим фокусным расстоянием, например 1,5 и 2 дюйма. Чем меньше фокусное расстояние, тем тоньше точка. У всех линз свой рабочий фокус, который указывается на маркировке (например, f=60 мм).

Рис. 1. Принцип работы фокусирующей линзы 

Фокусирующая линза для CO2-лазера: принцип работы

Когда лазерный луч испускается из лазерной трубки, он выходит из нее в расфокусированном состоянии. Луч CO2-лазера шире, чем у волоконного и УФ-лазера, его необходимо сфокусировать до такой степени, чтобы он мог правильно взаимодействовать с материалом. Без фокусирующей линзы лазер сможет нанести маркировку на материал, но она будет выглядеть неравномерно и неразборчиво. 

Луч CO2 лазера необходимо сфокусировать в точку на определенном расстоянии с помощью выпуклой линзы. Фокусная точка таких линз находится на расстоянии от полутора до пяти дюймов от линзы, и это расстояние определяет, как лазерный луч воздействует на материал.

Короткое фокусное расстояние позволяет гравировать мелкие детали, но при этом теряется глубина реза. При увеличении фокусного расстояния пятно на поверхности и внутри заготовки становится толще, и ширина реза увеличивается. 

Факторы, влияющие на фокусное расстояние лазера 

Фокусное расстояние лазерных систем измеряется в миллиметрах (дюймах). Оно определяется кривизной поверхности и коэффициентом преломления материала линз.

Линзы с меньшим фокусным расстоянием обеспечивают более широкое поле зрения, охватывающее больший диапазон объектов. Линзы с большим фокусным расстоянием, напротив, имеют более узкое поле зрения, позволяя более детально рассмотреть удаленные объекты.

Размещение фокальной точки над заготовкой называется положительным фокусом, а размещение точки под заготовкой - отрицательным фокусом. В зависимости от фокусного положения можно получить разные результаты

При положительной фокусировке лазера фотонный поток находится над плоскостью заготовки, что используется при лазерной резке изделий из углеродистой стали. При этом исключается образование шлака, а кислород способствует окислению металла от кромки реза до нижней поверхности листа.

При увеличении значения положительной фокусировки диаметр пятна на поверхности заготовки увеличивается, что приводит к увеличению тепловыделения и получению более гладкой кромки стали вдоль реза. 

При отрицательном фокусе пик концентрации находится внутри заготовки, при этом плотность излучаемой энергии увеличивается, расширяя разрез - такой режим подходит для перфорации нержавеющей стали или листового проката. При нулевой фокусировке лазерный луч располагается непосредственно на поверхности заготовки, что идеально подходит для резки тонких металлов и фольги.

Виды фокусирующих линз 

• Длиннофокусные (фокусная зона ≥75 мм) подходят для обработки толстых листов ( 8-10 мм) и заготовок с различной кривизной поверхности;
• Среднефокусные (фокусная зона от 40 мм до 75 мм) лучше подходят для резки более тонких материалов и гравировки более простых изделий;
• Короткофокусные линзы (фокусная зона ≤ 40 мм), предназначены исключительно для гравировки. Они позволяют получать четкие и аккуратные изображения. 

Рис. 2. Выпукло-вогнутая линза для уменьшения сферической аберрации, с минимальным размером пятна фокусировки

Рис. 3. Плоско-выпуклая линза для тепловой лазерной обработки, сварки, резки и улавливания ИК-излучения

Оптимальный диаметр фокусного пятна 

Оптимальный диаметр фокусного пятна, называемый шириной реза, в идеале должен быть равен длине волны лазера и составлять 0,01 мм. Однако в силу свойств линзы в при работе он составляет до 0,5 мм.

В точке фокусировки происходит значительное выделение тепла, что приводит к выгоранию поверхности материала вблизи линии реза. Степень этого эффекта зависит от плотности материала. Например, фанера, по сравнению с металлом, имеет более широкий пропил.

Определение положения фокуса 

Правильное позиционирование фокуса обеспечивает точность, четкость и оптимальную производительность. Ниже приведен алгоритм действий для определения положения фокуса лазера.

Шаг 1: Подготовка материалов

Для фокусировки лазера необходимы два гладких куска картона. Один кусок картона в качестве клина расположите на верстаке, можно использовать любой другой материал, например резину.

Шаг 2: Определение фокусного расстояния 

Линза в лазерной головке фокусирует луч в тонкую точку, похожую на треугольник. Это точка, в которой лазерное излучение концентрируется с наиболее мощной световой энергией. 

Фокусное расстояние может быть совершенно разным, в зависимости от типа линзы, установленной в лазерной головке. Для начала нужно убедиться, что один кусок картона расположен под углом. Далее можно выгравировать лазером прямую линию и переместить лазерную головку на выгравированную точку. С помощью фокусной линейки измерьте расстояние между самой маленькой точкой, которую вы отметили, и кончиком лазерной головки. Это и есть правильное фокусное расстояние для конкретной линзы.

Шаг 3: Двойное подтверждение фокусного расстояния

Можно направить лазер на картон на разной высоте. Таким способом можно сравнить фактические следы горения, чтобы найти правильное фокусное расстояние. Положите обрезки картона ровным слоем на рабочий стол и наведите на них лазерную головку на высоте 5 мм. Затем начните воздействие, чтобы оставить след лазера. Повторите ту же процедуру, переместите лазерную головку на другую высоту и нажмите старт. Можно сравнить следы прожига и обнаружить, что наименьшее пятно выгравировано на высоте 5 мм. Для подбора правильного фокусного расстояния можно воспользоваться любым из этих методов.

Как установить соответствующее расстояние фокусировки CO2-лазера?

Для лазерной резки

При резке материалов необходимо настраивать фокусное пятно немного ниже материала для получения наилучшего реза. Например, можно установить лазерную головку на 4 мм или даже 3 мм выше материала. Таким образом, наиболее мощная энергия лазера будет сконцентрирована внутри, что позволит лучше прорезать толстый материал сверху донизу.

Для лазерной гравировки

Для лазерной гравировки можно переместить лазерную головку над поверхностью материала немного выше, например на расстояние 6 или 7 мм. Таким образом, получается более размытый результат гравировки и усилить контраст между эффектом гравировки и исходным материалом.

Как правильно выбрать лазерную линзу?

Короткое фокусное расстояние, например 2.0”, означает меньшее фокусное пятно и фокусный допуск, это подходит для лазерной гравировки изображений с высоким DPI. Для лазерной резки необходимо более длинное фокусное расстояние, чтобы получить высокое качество резки с четким и ровным краем. В данных условиях более подходящими вариантами являются 2,5" и 4,0". Помните, что большее фокусное расстояние обеспечивает большую глубину реза. 

Рис. 4. Параметры линз для лазерной резки и гравировки